بررسی عملکرد کنترل سیستم های تهویه مطبوع در بهینه سازی مصرف انرژی HVAC

چکیده

در کشور ما نزدیک به 35 درصد انرژی مصرفی سالانه در بخش ساختمان های مسکونی و اداری مصرف می شود از آنجایی که هزینه نه صرف تولید بلکه تنها در بخش مصرف استفاده می شود، کاهش هزینه های انرژی می تواند نقش مهمی درتوسعه داشته باشد. در همین راستا استفاده بهینه از انرژی و به کارگیری فناوری های جدید سامانه های مدیریت هوشمند ساختمان در دودهه اخیر توسعه یافته است. یکی از مهم ترین اهداف این سامانه مدیدریت مصرف انرژی درساختمان ها می باشد که در مجموع صرفه جویی انرژی درساختمان ها می باشد که در مجموع صرفه جویی انرژی را دربر خواهد داشت. بخش زیادی از وسایل و مصرف کننده های انرژی در خانه ها یا فضاهایی با کاربری اداری و تجاری دستگاههای گرمایش و تهویه مطبوع هستند. بیشتر انرژی از نوع سوخت های فسیلی و همچنین برق مصرف شده در تاسیسات گرمایش و سرمایش و روشنایی ساختمان است. در این تحقیق بهینه سازی و بهبود بازدهی انرژی مصرفی توسط تاسیسات HVAC با پیاده سازی سامانه مدیریت ساختمان مورد مطالعه قرارگرفته است. باتوجه به غیر خطی بودن فرآیندهای کاری سامانه های HVAC و همچنین تغییرات فصلی ومشخصه های کارکردی این تاسیسات طراحی و استراتژی کنترل معمولا پیچیده می باشد. هدف از این تحقیق کاهش مصرف انرژی با تعریف بک راهبرد کنترلی در سامانه تاسیسات مکانیکی ساختمان ( گرمایش و تهویه مطبوع ) با اعمال و پیاده سازی سامانه مدیریت هوشمند ساختمان می باشد.

کنترل خوب سرویس های ساختمان می تواند صرفه جویی های قابل ملاحظه ای را باعث شود. نصب تجهیزات مناسب کنترل معمولا برگشت هزینه ای بر حدود 2 سال و اغلب سریع تر خواهد داشت. به هرحال مهم است که بازده انرژی تجهیزات و سیستم های کنترل در مراحل طراحی و نصب در نظر گرفته شود، زیرا در آینده اصلاح اشتباهات می تواند مشکل باشد. ملاحظات دقیق باید برای تعیین میزان پیچیدگی مورد نیاز، انجام گیرد. سیستم کنترل باید سادگی خود را حفظ نماید مگر این که در بعضی مواقع مورد قابل اندازه گیری را فقط بتوان با پیچیدگی سیستم به دست آورد. یک سیستم مدیریت انرژی ساختمان تنها هنگامی به طور موثر کار می کند که استفاده کنندگان به آن متعهد شوند و تخصص مناسب موجود باشد.

هدف از کنترل

هدف از یک سیستم کنترل عبارت است از کنترل خروجی ها به روش معین و به کمک ورودی ها، از طریق سیستم کنترل که می تواند شامل اجزاء مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی و غیره که به تناسب نوع سیستم کنترل می باشد به علاوه سود آوری (هدف نهایی) از طریق کنترل و بهینه سازی انرژی و نیروی انسانی در زمینه های طراحی، ساخت، بهره برداری، نظارت، نگهداری، راهبری، مدیریت ساختمان و یا مدیریت انرژی عملیات در سیستم می باشد.

سیستم عبارت است از ترتیب قرار گرفتن یا جمع شدن وسایل مربوطه در کنار هم به طوری که یک مجموعه کامل را بسازد.

 سیستم های کنترل

هر یک از کنترل های یک مجموعه با توجه به نوع ساختمان و عملکرد آن ها به منظور هدفی خاص یا پارامتری از پیش تعیین شده به کار گرفته می شود که اگر یک مدار کنترل و ارتباط آن ها با یکدیگر به منظور رسیدن به شرایط خاص و ایده آل که از قبل مشخص شده است برقرار گردد، گفته می شود.

شکل 1- 2 یک سیستم کنترل ساده و شکل 1- 3 یک سیستم کنترل پیچیده تر را نشان می دهد که عمل ارتباط بین اجزاء یک سیستم را از طریق تنظیم کردن، فرمان دادن و یا اداره کردن برقرار می کند.

فهرست مطالب

مقدمه. 1

فصل اول ، انواع سیستم های کنترل

1-1- کنترل چیست؟. 4

1-2- عمل کنترل.. 4

1-3- هدف از کنترل.. 5

1-4- سیستم های کنترل.. 5

1-5- انواع انرژیها و پتانسلهای مورد استفاده در سیستم های کنترل.. 7

1-6- سنسور(واحد حس کننده) 8

1-7-خصوصیات و ویژگی های سنسور ها 8

1-1-7- رنج.. 8

2-1-7- Span. 8

3-1-7- دقت صحت و درستی.. 9

4-1-7- بازگشت به حالت اولیه. 9

5-1-7- حساسیت... 9

6-1-7- تغییر تدریجی.. 9

7-1-7- حرکت خطی.. 9

8-1-7- زمان پاسخ گویی.. 9

9-1-7- نگهداری.. 10

10-1-7- سازگاری.. 10

11-1-7- دخالت(پارازیت) 10

1-8- انتخاب و محل نصب سنسورها 10

1-9- سنسورهای درجه حرارت.. 11

1-9-1- سنسورهای بی متال.. 11

1-9-2- سنسورهای گازی یا مایعی (بالب دار) 12

1-10- سنسورهای فشار. 13

1-11- سنسورهای رطوبت... 13

1-11-1- موی یال اسب... 14

1-11-2- نایلون یا الیاف مصنوعی.. 14

1-11-3- خازن.. 14

1-12- سنسورهای جریان سیالات.. 15

1-13- سنسورهای سطح مایعات.. 16

1-13-1- شناورهای مکانیکی.. 16

1-13-2- سنسورهای الکترودی.. 16

1-14- محل نصب سنسورها(حس کننده ها) 16

1-15-کنش کنترلی.. 18

1-15-1- کنش دو وضعیتی یا روشن - خاموش... 18

1-15-2- کنش شناور. 19

1-16- کنترل تنظیمی(مدوله) 20

1-17- انواع کنترل تنظیمی (مدوله) 21

1-17-1- روش کنترل خطی.. 21

1-17-2- روش کنترل خطی- انتگرالی.. 21

1-17-3- روش کنترل مشتقی.. 21

فصل دوم ، عملکرد سیستم های کنترل تهویه مطبوع(HVAC) در بهینه سازی مصرف انرژی

2-1- کنترل کننده های درجه و سیستم های کنترل دما 23

2-1-1- تعریف ترموستات.. 23

2-2- عملکرد ترموستات ها 24

2-3-ترموستات سیستم های گرم کننده-سرد کننده. 24

2-4- دیفرنشیال.. 25

2-5- انواع آکوستات.. 26

2-5-1- آکوستات مستغرق.. 27

2-5-2- آکوستات جداری.. 27

2-5-3- آکوستات حد. 28

2-6- انواع ترموستات ها 29

2-6-1- ترموستات اطاقی.. 31

2-6-2- ترموستات کانالی(بالب دار) 32

2-6-3- ترمستات زمستانی.. 33

2-6-4- ترموستات تابستانی.. 34

2-6-6- ترموستات دیجیتالی.. 36

2-6-7- ترموستات ساعتی.. 38

2-6-8- ترموستات تدریجی.. 39

2-6-9- ترموستات پله ای(استپ کنترلر) 40

2-7- کنترل مقدار جریان و بخار. 41

2-8- کنترل مقدار جریان هوا 42

2-9- انواع دمپر. 42

2-9-1- دمپر دستی.. 42

2-9-2- دمپرهای اتوماتیک... 43

2-10- شیرهای کنترل.. 44

2-10-1- شیر برقی.. 45

2-10-2- شیر معکوس کننده. 47

2-10-3- شیر کنترل ظرفیت یا شیر بی بار کننده کمپرسور. 48

2-10-4- شیرهای فانوسه ای.. 49

2-10-5- شیرهای موتوری دو راهه. 50

2-10-5-1- شیرموتور پروانه ای.. 51

2-10-5-2- شیر بشقابی.. 51

2-10-6- شیرهای موتوری سه راهه. 52

2-11- کنترل های سطح مایعات.. 53

2-11-1- کنترل سطح مکانیکی.. 53

2-11-2- کنترل سطح الکترومکانیکی.. 54

2-11-3- کنترل سطح الکتریکی.. 55

2-12- کنترل هوای تازه. 56

2-13- کنترل حداقل هوای خارج.. 57

2-14- کنترل ظرفیت درکمپرسورهای رفت و برگشتی.. 58

2-15-کنترل ظرفیت در کمپرسورهای گریز از مرکز. 60

2-16-کنترل ظرفیت درکمپرسورهای حلزونی(پیچی) 61

2-17- کنترل ظرفیت در سیستم های جذبی.. 62

2-18- کنترل ظرفیت اواپراتور. 63

2-19-روش های مختلف کنترل فشار در کندانسورهای آبی.. 63

2-20-روش های مختلف کنترل فشار در کندانسورهای هوایی.. 63

2-21-روش های مختلف کنترل فشار در کندانسور تبخیری.. 64

فصل سوم ، مدیریت انرژی در سیستم های تهویه مطبوع HVAC

3-1- اصول کلی مدیریت انرژی در سیستم های تهویه مطبوع HVAC.. 66

3-2- شرایط لازم برای آسایش و سلامت انسان.. 67

3-2-1- به منظور گرمایش کارآمد. 68

3-3- فرصت های مدیریت انرژی در سیستم های تهویه مطبوع HVAC.. 68

3-5- نگهداری و تعمیر سیستم های تهویه مطبوع HVAC.. 71

4-5- نتیجه گیری.. 71

فصل چهارم ، بهینه سازی انرژی مصرفی تهویه مطبوع با سیستم BMS

1-4- مقدمه. 66

2-4- تاسیسات گرمایشی.. 67

1-2-4-  تجهیزت الکتریکی سامانه های گرمایشی.. 71

3-4- تاسیسات تهویه مطبوع. 72

4-4- روش تنظیم مجدد آب کندانسور در چیلر. 73

5-4- روش روشن و خاموش کردن بهینه سامانه. 74

6-4- روش سیکل برنامه ریزی کارکردسامانه در شب... 75

7-4- روش محدوده کارکرد انرژی صفر. 76

8-4- نتیجه گیری.. 78

منابع و مأخذ. 79

فهرست شکل ها

عنوان                                                                                                                    شماره صفحه

شکل 1-1- یک سیستم ساده کنترل درجه حرارت کابین یخچال.. 4

شکل1-2- یک سیستم کنترل ساده. 6

شکل1-3- یک سیستم کنترل پیچیده تهویه مطبوع. 6

شکل 1-4- عملکرد چند نوع سنسور بی متال.. 12

شکل 1-5- تغییرات فانوسه بر اثرحجم گاز درون بالب... 13

شکل 1-6- سیستم کنترل رطوبت با سنسور موی یال اسب... 14

شکل 1-7- رطوبت سنج یا سنسور نایلونی.. 14

شکل1-8- سنسور جریان سیالات.. 15

شکل 1-9- سنسور سطح مایعات.. 16

شکل 1-10- محل نصب سنسور و ترموستات سردخانه. 18

شکل1-11- کنترل دو وضعیتی (حد پائین) 19

شکل 1-12- کنش شناور. 20

شکل 1-13- کنترل تنظیمی.. 21

شکل2-1- طرز قرار گرفتن آکوستات در مدار رله مشعل.. 25

شکل 2-2- شماتیک داخل یک ترموستات با تنظیم رنج ودیفرنشیال.. 26

شکل 2- 3- مدار الکتریکی سه فاز آکوستات جداری.. 28

شکل 2-4- مدار الکتریکی کنترل درجه حرارت یک سیستم حرارت مرکزی همراه با مدار رله گازی.. 29

شکل 2-5- ار موتور فن کویل مدار شیر موتوری فن کویل.. 32

شکل2-6- شماتیک ظاهری ترموستات کانالی.. 33

شکل 2-7- پیش گرم کن در ترموستات زمستانی.. 34

شکل2-8- آنتی سیپاتور در ترموستات تابستانی.. 35

شکل 2-9- مدار داخلی ترموستات دو فصلی.. 36

شکل2-10- مدار داخلی ترموستات دیچیتالی.. 37

شکل2-11- ترموستات ساعتی.. 38

شکل2-12- ترموستات تدریجی.. 39

شکل-2-13- استپ کنترلر الکترومکانیکی.. 41

شکل2-14- کویل شیر برقی.. 45

شکل2-15- شیر برقی معمولأ بسته. 46

شکل2-16- شیرمعکوس کننده. 47

شکل2-17- شیر بی بار کننده رگلاتور. 48

شکل2-18- شیر تغییر ظرفیت کمپرسورهای تناوب کوپلند. 49

شکل2-19- شیرهای فانوسه ای.. 50

شکل2-20- شیر موتور پروانه ای.. 51

شکل2-21- بدنه داخلی شیر دو راهه بشقابی.. 52

شکل2-22- شیر سه راهه تقسیم کننده و مخلوط کننده. 53

شکل2-23- شیر شناوری مکانیکی.. 54

شکل2-24- کنترل کننده های سطح میکروسوئیچی و جیوه ای.. 55

شکل2-25- کنترل سطح الکتریکی و پمپ تغذیه. 56

شکل2-26- منطقه راحتی روی چارت سایکرومتریک... 57

شکل2-27- سیستم کمپرسور رفت و برگشتی.. 59

شکل2-28- سیستم کمپرسور گریز از مرکز. 61

شکل2-29- شیر لغزنده کنترل ظرفیت کمپرسور حلزونی.. 62

شکل 1-4- نمودار رشد مصرف انرژی الکتریکی در 10 سال گذشته ایران.. 66

شکل 2 – 4- کنترل دما به صورت دستی در تجهیزات گرمایشی متداول و سنتی.. 68

شکل 3-4- یک نمونه چیلر تراکمی هواخنک شرکت RHOSS ساخت ایتالیا با درگاه اتصال به BM... 69

جدول1-4- مقایسه نتایج پایش میزان مصرفی گاز براساس متر مکعب مصرفی.. 70

شکل 4-4- رشد مصرف برق خانگی در 30 سال گذشته در ایران (از سال 1360 تا 1390 ) 72

شکل 5 -4- راهکار راه اندازی بهینه سامانه. 74

شکل 6 -4- راهکار توقف کارکرد بهینه سامانه. 75

شکل 7-4- راهکار برنامه ریزی کارکرد سامانه در شب... 76

شکل 8-4- راهکار محدوده کارکرد انرژی صفر. 77